Tại sao máy tính lượng tử quang không phải được giữ gần như bằng không trong khi máy tính lượng tử siêu dẫn làm gì?

Đây là câu hỏi tiếp theo cho câu trả lời của @ heather cho câu hỏi: Tại sao máy tính lượng tử phải được giữ gần bằng không?

Những gì tôi biết:

• Điện toán lượng tử siêu dẫn : Đó là việc thực hiện một máy tính lượng tử trong một mạch điện tử siêu dẫn.

• Điện toán lượng tử quang : Nó sử dụng các photon làm vật mang thông tin và các phần tử quang tuyến tính để xử lý thông tin lượng tử và sử dụng các máy dò photon và bộ nhớ lượng tử để phát hiện và lưu trữ thông tin lượng tử.

Tiếp theo, đây là những gì Wikipedia tiếp tục nói về điện toán lượng tử siêu dẫn :

Các mô hình tính toán cổ điển dựa trên các triển khai vật lý phù hợp với các định luật của cơ học cổ điển. Tuy nhiên, người ta biết rằng mô tả cổ điển chỉ chính xác cho các trường hợp cụ thể, trong khi mô tả tổng quát hơn về tự nhiên được đưa ra bởi cơ học lượng tử. Tính toán lượng tử nghiên cứu ứng dụng các hiện tượng lượng tử, vượt ra ngoài phạm vi gần đúng cổ điển, để xử lý thông tin và truyền thông. Các mô hình tính toán lượng tử khác nhau tồn tại, tuy nhiên các mô hình phổ biến nhất kết hợp các khái niệm về qubit và cổng lượng tử. Một qubit là một khái quát của một bit - một hệ thống có hai trạng thái có thể, có thể nằm trong sự chồng chất lượng tử của cả hai. Cổng lượng tử là sự khái quát hóa của cổng logic: nó mô tả sự biến đổi mà một hoặc nhiều qubit sẽ trải qua sau khi cổng được áp dụng trên chúng, với trạng thái ban đầu của chúng. Việc thực hiện vật lý của qubit và cổng rất khó khăn, vì những lý do tương tự mà hiện tượng lượng tử rất khó quan sát trong cuộc sống hàng ngày.Một cách tiếp cận là triển khai các máy tính lượng tử trong chất siêu dẫn, trong đó các hiệu ứng lượng tử trở thành vĩ mô, mặc dù ở mức giá nhiệt độ hoạt động cực thấp.

Điều này không có ý nghĩa! Tuy nhiên, tôi đang tìm kiếm lý do tại sao máy tính lượng tử quang không cần "nhiệt độ cực thấp" không giống như máy tính lượng tử siêu dẫn. Không phải họ gặp phải vấn đề tương tự, chẳng hạn như hiện tượng lượng tử trong máy tính lượng tử quang học khó quan sát giống như đối với máy tính lượng tử siêu dẫn? Là các hiệu ứng lượng tử đã vĩ mô ở nhiệt độ phòng, trong các máy tính như vậy? Tại sao như vậy?

Tôi đã xem qua mô tả về điện toán lượng tử quang tuyến tính trên Wikipedia , nhưng không tìm thấy tài liệu nào liên quan đến "nhiệt độ" như vậy.

Tôi đang tìm kiếm lý do tại sao máy tính lượng tử quang không cần "nhiệt độ cực thấp" không giống như máy tính lượng tử siêu dẫn.

Các qubit siêu dẫn thường hoạt động trong dải tần số 4 GHz đến 10 GHz. Năng lượng liên quan đến tần số chuyển tiếp trong cơ học lượng tử là trong đó là hằng số Planck. So sánh năng lượng chuyển đổi qubit với năng lượng nhiệt (trong đó là hằng số của Boltzmann), chúng ta thấy rằng năng lượng qubit nằm trên năng lượng nhiệt khi $f_{10}$$E_{10} = h f_{10}$$h$$E_\text{thermal} = k_b T$$k_b$

Tra cứu các hằng số của Boltzmann và Planck, chúng tôi thấy

Do đó, chúng ta có thể viết

Vì vậy, đối với qubit siêu dẫn tần số cao nhất ở 10 GHz, chúng ta cần để có xác suất thấp rằng qubit bị kích thích ngẫu nhiên hoặc không bị kích thích do tương tác nhiệt. Đây là lý do tại sao các qubit siêu dẫn thường được vận hành trong tủ lạnh pha loãng ở mức ~ 15 milliKelvin. Tất nhiên, chúng ta cũng cần nhiệt độ đủ thấp để có được các kim loại siêu dẫn, nhưng đối với nhôm xảy ra ở 1 K nên thực sự hạn chế mà chúng ta đã nói là quan trọng hơn.$T < 0.48 \, \text{K}$

Mặt khác, giả sử hai trạng thái của qubit quang và sự hiện diện và vắng mặt của một photon quang học. Một photon quang học có tần số khoảng Hz, tương ứng với nhiệt độ 14.309 Kelvin. Do đó, có một xác suất cực kỳ thấp về môi trường nhiệt thay đổi trạng thái qubit bằng cách tạo hoặc loại bỏ một photon. Đây là lý do tại sao ánh sáng quang học là loại cơ học lượng tử nội tại trong tự nhiên.$\left \lvert 0 \right \rangle$$\left \lvert 1 \right \rangle$$10^{14}$

Không phải họ gặp phải cùng một vấn đề, tức là không phải là hiện tượng lượng tử trong máy tính lượng tử quang học khó quan sát giống như đối với máy tính lượng tử siêu dẫn?

Chà, những khó khăn giữa máy tính lượng tử siêu dẫn và máy tính lượng tử quang là khác nhau . Các photon quang về cơ bản không tương tác với nhau. Để có được sự tương tác hiệu quả giữa hai photon, bạn phải đặt chúng qua một tinh thể phi tuyến hoặc thực hiện một số phép đo quang dẫn. Thách thức với các tinh thể phi tuyến là chúng rất kém hiệu quả; chỉ một phần rất nhỏ các photon đi vào thực sự trải qua quá trình phi tuyến gây ra sự tương tác. Thách thức với việc phát quang là khó xây dựng bộ tách sóng quang có hiệu quả phát hiện cao và số lượng bóng tối thấp$^{[a]}$. Trên thực tế, dù sao đi nữa, các máy dò ảnh tốt nhất thực sự cần phải được vận hành trong môi trường đông lạnh, vì vậy một số kiến ​​trúc điện toán lượng tử quang học cần làm lạnh lạnh mặc dù thực tế rằng các qubit có tần số rất cao.

PS Câu trả lời này có thể được mở rộng khá nhiều. Nếu ai đó có một khía cạnh cụ thể mà họ muốn biết thêm, vui lòng để lại nhận xét.

$[a]$ : Số đếm tối có nghĩa là số lần bộ tách sóng quang nghĩ rằng nó đã nhìn thấy một photon mặc dù thực sự không có. Nói cách khác, không phải là tốc độ mà máy dò đếm các photon khi nó ở trong bóng tối.

Bởi vì ánh sáng, ở tần số phù hợp, tương tác yếu với vật chất. Trong chế độ lượng tử, điều này có nghĩa là các photon đơn lẻ phần lớn không có tiếng ồn và sự trang trí là trở ngại chính với các kiến ​​trúc QC khác. Nhiệt độ xung quanh không làm xáo trộn trạng thái lượng tử của một photon nhiều như khi thông tin lượng tử được mang theo vật chất (nguyên tử, ion, electron, mạch siêu dẫn, v.v.). Ví dụ, việc truyền các qubit quang tử đáng tin cậy (chính xác hơn là giao thức QKD) giữa Trung Quốc và Áo, sử dụng vệ tinh có quỹ đạo thấp làm liên kết, gần đây đã được trình diễn (xem ví dụ ở đây ).

Thật không may, ánh sáng cũng tương tác cực kỳ yếu (như về cơ bản là không) với ánh sáng khác. Các photon khác nhau không tương tác với nhau là điều làm cho tính toán lượng tử quang học có phần khó khăn. Ví dụ, các phần tử cơ bản như cổng hai qubit, khi các qubit được mang bởi các photon khác nhau, đòi hỏi một số dạng phi tuyến, thường khó thực hiện hơn trong thực nghiệm.

DanielSank là chính xác, nhưng tôi nghĩ rằng câu trả lời thực sự thậm chí còn tinh tế hơn. Nếu không có tổn thất thì cũng không có cách nào bức xạ nền rò rỉ vào thiết bị lượng tử của bạn. Ngay cả khi ban đầu nó bị kích thích nhiệt, người ta có thể chủ động thiết lập lại trạng thái của các qubit. Do đó, ngoài sự kích thích nhiệt của các qubit vi sóng, lý do cơ bản khiến chúng bị hạ nhiệt độ xuống quá thấp thực sự là sự mất điện môi của các vật liệu mà trạng thái lượng tử sống.

Không khí áp đặt gần như không làm mất đi các photon quang học, nhưng các mạch điện làm suy giảm các plasmon tần số vi sóng mang thông tin lượng tử. Cho đến nay, cách duy nhất để thoát khỏi những mất mát này là sử dụng chất siêu dẫn, và, ngoài ra, đi đến máy điều hòa nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ tới hạn của chất siêu dẫn, nhưng không có lý do cơ bản nào cho việc không thể sử dụng nhiệt độ cao hơn trong tương lai, một khi vật liệu có tổn thất thấp hơn trở nên có sẵn .